Предложен способ автоматического управления с обратной связью и/или контроля нефте- и/или газопромысловой системы или ее части (частей), которая включает в себя один или более блок обработки, и/или одну или более поточную линию, и/или одно или более средств управления. Способ включает в себя шаг измерения или оценки значения (значений) по меньшей мере одного уровня, или давления, или скорости потока, или индикатора нагрузки, связанного по меньшей мере с одним из указанного блока (блоков) обработки и/или поточной линии (линий), и по меньшей мере один из следующих шагов: расчет установки (установок), т.е. значения (значений) соответствующей уставки (уставок), для указанных средств управления на основе по меньшей мере одной управляемой переменной в виде указанного измеренного или оцененного уровня, или давления, или скорости потока, или индикатора нагрузки, включая компенсирование нелинейностей указанных средств управления, предпочтительно используя по меньшей мере один управляющий модуль; оценку по меньшей мере одной из скоростей потока нефти, газа, воды или жидкости, входящего или выходящего по меньшей мере из одного указанного блока обработки и/или поточной линии, предпочтительно используя модуль оценки.

[0001] Способ автоматического управления и/или контроля с обратной связью нефте- и/или газопромысловой системы или ее части (частей), которая включает в себя один или более блоков обработки, и/или одну или более поточных линий, и/или одно или более средств управления, отличающийся тем, что включает в себя шаг

[0002] Способ по п.1, отличающийся тем, что шаг расчета установки (установок) средств управления на основе по меньшей мере одной управляемой переменной содержит по меньшей мере один из следующих шагов:

[0003] Способ по п.1, отличающийся тем, что шаг оценки выполняют с использованием модуля оценки входящего потока, выполненного предпочтительно в виде программного датчика.

[0004] Способ по п.2, отличающийся тем, что шаги уменьшения, избегания перегрузки, автоматического вывода в рабочий режим осуществляют с использованием модулей управления, предпочтительно модуля сглаживания выходного потока, модуля избегания перегрузки и модуля вывода в рабочий режим, соответственно.

[0005] Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что указанные модули являются функциональными модулями, содержащими алгоритмы на основе динамических компонентов и/или компонентов устойчивого состояния, таких как пропорционально+интегральные+производные (PID, Proportional+ lntegral+Derivative) контроллеры, балансы масс, энергий и моментов, динамические или устойчивого состояния.

[0006] Способ по одному из пп.3-5, отличающийся тем, что указанные модули используют совместно таким образом, чтобы взаимодействовать или влиять друг на друга в любой комбинации, содержащей два или более модулей, или используют по отдельности.

[0007] Способ по одному из пп.3-6, отличающийся тем, что модуль оценки входящего потока используют отдельно или в любой комбинации с модулями управления.

[0008] Способ по одному из пп.3-7, отличающийся тем, что, когда управляемая переменная является скоростью потока и не измеряется, оценку предпочтительно получают из модуля оценки входящего потока.

[0009] Способ по п.1, отличающийся тем, что шаг компенсации указанных нелинейностей включает в себя исключение, примерное или точное, нежелательных эффектов нелинейностей, таких как изменения приращения (приращений) средств управления и/или процесса.

[0010] Способ по п.9, отличающийся тем, что указанные изменения приращения (приращений) средств управления исключают на основе расчета отношения изменения соответствующей скорости (скоростей) потока к изменению соответствующей установки (установок) средств управления, а указанные изменения приращения процесса исключают на основе расчета отношения скорости изменения управляемой переменной (переменных), такой как давление (давления) газа и/или уровень (уровни) жидкости, к изменению соответствующей скорости (скоростей) потока.

[0011] Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что указанные изменения приращения процесса исключают на основе расчета отношения скорости изменения управляемой переменной (переменных), таких как давление (давления) газа и/или уровень (уровни) жидкости, к изменению соответствующей скорости (скоростей) потока на основе информации о геометрии емкости.

[0012] Способ по п.2, отличающийся тем, что указанный шаг уменьшения изменений скорости потока включает в себя расчет доступной буферной емкости на основе информации о доступном диапазоне изменений указанной управляемой переменной (переменных), такой как уровень (уровни) и/или давление (давления), и измерении (измерениях) и/или оценки (оценок) указанной управляемой переменной (переменных).

[0013] Способ по п.12, отличающийся тем, что определение указанной информации о доступном диапазоне изменений указанной управляемой переменной (переменных) осуществляют самим способом, либо внешне, либо предоставляют со стороны пользователя.

[0014] Способ по одному из пп.2 или 12, 13, отличающийся тем, что указанный шаг уменьшения изменения (изменений) скорости потока дополнительно включает в себя расчет установки (установок) средств управления, которая минимизирует изменение (изменения) скорости потока заданной доступной буферной емкостью без ограничения производительности более, чем это необходимо.

[0015] Способ по одному из пп.1, 2 или 14, отличающийся тем, что расчет установки (установок) основан на алгоритме предсказательного контроля по модели (МРС, Model Predictive Control) и/или наборе PID контроллеров.

[0016] Способ по п.14, отличающийся тем, что указанный шаг расчета установки (установок) указанных средств управления дополнительно включает в себя компенсацию нежелательных связей между указанными средствами управления и указанными управляемыми переменными, предпочтительно с использованием функциональных средств развязывания.

[0017] Способ по п.2, отличающийся тем, что указанный шаг избегания перегрузки включает в себя расчет указанного индикатора (индикаторов) посредством измерения и/или оценки значения (значений) по меньшей мере одной переменной, которая содержит информацию о нагрузке промысловой системы, относительно максимальной и/или минимальной нагрузки.

[0018] Способ по п.17, отличающийся тем, что указанная переменная (переменные) включает в себя отверстия управляющего вентиля или дросселя, уровни жидкостей, давления, температуры, скорости потоков, плотности, количество оборотов в минуту компрессора и мощность компрессора или производные измерения как функцию.

[0019] Способ по п.17, отличающийся тем, что указанный индикатор (индикаторы) нагрузки автоматически удерживается неположительным и как можно ближе к нулю без ограничения производительности более, чем это необходимо.

[0020] Способ по п.2, отличающийся тем, что шаг вывода производительности промысловой системы или ее части (частей) в рабочий режим включает в себя измерение или оценку указанной управляемой переменной (переменных) и расчет указанной установки (установок) средств управления так, что указанная управляемая переменная (переменные) отслеживает по меньшей мере одну кривую вывода в рабочий режим для указанной управляемой переменной (переменных) как функцию времени.

[0021] Способ по п.20, отличающийся тем, что указанный шаг расчета включает в себя расчет указанной установки (установок) средств управления для каждой указанной кривой вывода в рабочий режим и выбор указанной установки (установок) средств управления, соответствующей наименьшему нарушению ограничения (ограничений) кривой вывода в рабочий режим, соответствующих указанной кривой (кривых) вывода в рабочий режим.

[0022] Способ по п.21, отличающийся тем, что указанный шаг расчета включает в себя повторное определение управляемой переменной (переменных) и/или кривой (кривых) вывода в рабочий режим так, чтобы уменьшение установки (установок) средств управления приводило к уменьшению нарушения соответствующего ограничения (ограничений) кривой вывода в рабочий режим и чтобы шаг выбора осуществлялся выбором наименьшей установки средств управления.

[0023] Способ по одному из пп.20-22, отличающийся тем, что указанная управляемая переменная является скоростью потока, такой как скорость потока через входной вентиль промысловой системы.

[0024] Способ по одному из пп.20-22, отличающийся тем, что указанная переменная является давлением промысловой системы, таким как давление забоя скважины.

[0025] Способ по одному из пп.20-22, отличающийся тем, что его осуществляют автоматически и, по существу, непрерывно.

[0026] Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный шаг оценки скорости (скоростей) потока основан на балансе масс, и/или балансе энергий, и/или балансе моментов, и/или опытном соотношении (соотношениях), связанном с промысловой системой или ее частью (частями), использующем историческое и/или оперативное значение (значения) указанного измерения (измерений) и/или оценки (оценок).

[0027] Способ по п.1 или 26, отличающийся тем, что шаг оценки основан, по меньшей мере, на динамическом балансе масс.

[0028] Способ по п.26, отличающийся тем, что указанное опытное соотношение (соотношения) предоставляет информацию о взаимоотношении между указанным измерением (измерениями) и/или оценкой (оценками) и указанной оцененной скоростью (скоростями) потока.

[0029] Способ по одному из пп.1 или 26, 27, отличающийся тем, что указанный шаг оценки включает в себя шаг расчета скорости (скоростей) входящего потока жидкости с использованием уравнения баланса масс

[0030] Система автоматического управления с обратной связью и/или контроля нефте- и/или газопромысловой системы или ее части (частей), содержащая средства для осуществления способа согласно любому из пп.1-29.

[0031] Компьютерный программный продукт, содержащий средства компьютерного кода и/или части кода программного обеспечения для осуществления процессором одного или более шагов способа согласно любому из пп.1-29.

[0032] Компьютерный программный продукт по п.31, переданный по сети, такой как Интернет.

[0033] Машиночитаемый носитель данных, содержащий компьютерный программный продукт по п.31 или 32.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу осуществления автоматического управления с обратной связью и/или контроля работы нефте- или газопромысловой системы в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения. Изобретение также относится к системе управления для осуществления способа по изобретению и программному продукту для выполнения одного или более шагов способа по изобретению.

Термин нефте- или газопромысловая система, используемый в заявке, должен пониматься как включающий в себя все компоненты системы для сбора и переработки нефти и/или газа, такой как система сбора со всеми ее скважинами, фонтанными штуцерами, выкидными линиями, насосами, компрессорами, трубными обвязками, трубопроводами и т.п., и перерабатывающее оборудование, которое включает в себя такое оборудование, как сепараторы, коагуляторы, гидроциклоны, теплообменники, газоочистители, управляющие вентили, компрессоры, турбины, насосы и т.п. Различные компоненты могут быть размещены под водой, на платформе, на судне или на берегу.

Предшествующий уровень техники

Производительность и бесперебойность выработки являются двумя наиболее важными ключевыми индикаторами работы нефте- и газопромысловой системы. Производительность выработки определяется как выработка нефти, и/или газа, и/или воды, и/или жидкости, и/или общей массы за временной интервал (или скорость(скорости) потока), в то время как бесперебойность определяется как способность перерабатывающего оборудования удовлетворять требованиям по промежуточному или финальному выпуску продукта. Производительность и бесперебойность зависят от множества различных факторов, одни могут быть специфичны для каждого перерабатывающего оборудования, другие являются более общими. Одним из важных и общих факторов для любой нефте- или газопромысловой системы является то, как изменения скорости потока смягчаются или сглаживаются по всей системе. Это особенно важно, когда большие возмущения скорости потока входят в перерабатывающее оборудование в промысловой системе и непосредственно связаны с управлением уровнями жидкости и давлением газа в буферных резервуарах перерабатывающего оборудования. Структура и настройка соответствующих способов управления непосредственно влияют на производительность и бесперебойность промыслового оборудования. Под настройкой понимается выбор параметров в алгоритмах, которые образуют способ управления. Примеры буферных резервуаров или емкостей или цистерн включают в себя, но не ограничиваются, двух/трехфазные сепараторы, ловушки конденсата, дегазирующие барабаны, коагуляторы, линейные дегазаторы, линейные удалители жидкости и газоочистители.

Возмущения в смысле изменений скоростей потоков нефти, воды, жидкости и/или газа, вводимых в буферные резервуары, часто приводят к проблемам для контроллеров уровня жидкости и давления газа. Возмущения могут быть результатом

наземного закупоривания или закупоривания стояка, так называемого жесткого закупоривания, см., например, WO 02/46577;

гидродинамического закупоривания, то есть высокочастотного пробкового потока, являющегося результатом слишком большой разницы скоростей газа и жидкости;

скребковой чистки трубопровода. Скребковая чистка является операцией, которая производится в трубах по нескольким причинам, таким как проверка, применение химикатов, подобных ингибиторам коррозии, удаление сухих или жидких остатков и т.п. Скребок является механическим устройством, которое помещается в трубопроводе и перемещается через трубопровод под воздействием разности давления и/или локального двигателя. Скребок вычищает жидкости по мере продвижения по трубопроводу и таким образом получается пробковый поток;

изменений в работе, таких как переключение между скважинами с разными характеристиками (например, разные соотношения газ/нефть, обводнения и др.) или изменения отверстий штуцеров скважин.

В результате таких возмущений часто происходят расцепления или полные или частичные нештатные остановы. Избежание таких ситуаций имеет высокое значение. Кроме того, для максимизации производительности и бесперебойности промысловой системы изменения скоростей потоков по всей системе должны удерживаться как можно более малыми с помощью, например, системы управления буферными резервуарами, чтобы не создавать затруднения для перерабатывающего оборудования более, чем это необходимо, и для соответствия требованиям качества обработанной нефти, воды и газа. Типичный пример хорошо отрегулированного контроллера уровня (LIC) показан на фиг. 17. Этот контроллер уровня активно старается поддерживать постоянный уровень жидкости. Результатом является отсутствие снижения возмущений, вводимых в буферный резервуар. Это вновь может привести к проблемам для перерабатывающих блоков и оборудования, расположенных вниз по потоку. Следует отметить, что большие изменения скоростей потоков в перерабатывающем оборудовании не обязательно должны вызываться большими изменениями скоростей потоков, вводимых в перерабатывающее оборудование. Это может быть результатом плохой настройки и/или неудачной структуры контроллеров буферных резервуаров. Это проиллюстрировано на фиг. 18, где контроллер уровня (LIC) усиливает изменения скорости потока, вводимого в буферный резервуар.

На первый взгляд два примера, показанных на фиг. 17 и 18, могут показаться простыми для предотвращения путем простого осуществления перенастройки контроллеров. Обычно контроллеры уровня и газа являются обычными линейными пропорционально+интегральными+производными (PID, Proportional+Integral+Derivative) контроллерами, которые могут описываться следующим уравнением:

где u - управляемое отверстие вентиля, е - ошибка управления (заданное значение минус измерение управляемой переменной). Перенастройка означает изменение параметров контроллера K _p , T _i и T _d . Это, конечно, может улучшить уменьшение изменений скоростей потоков. Однако улучшения часто бывают только временными. То есть когда условия работы изменяются, контроллеры с новыми параметрами вновь будут работать плохо. Это происходит вследствие таких эффектов, как нелинейность, например, различных приращений процессов и вентилей, и взаимодействия/связи между средствами управления и управляемыми переменными, для работы с которыми отдельный обычный PID контроллер не приспособлен.

Пример. Переменное приращение управляющего вентиля.

Любая управляющая система должна стремиться к одинаково хорошей работе во всем диапазоне работы. В нефте- и газоперерабатывающем оборудовании поведение управляющей системы может зависеть от скоростей потоков, давлений, уровней и т.д. Примером является приращение управляющего вентиля, то есть отношение изменения потока к соответствующему изменению отверстия вентиля. Это отношение зависит от характеристик вентиля и падения давления через вентиль. Падение давления через вентиль зависит от скорости потока в большей или меньшей мере.

Стандартный линейный PID контроллер, описываемый уравнением (1), принимает соотношение между изменением управляемого отверстия Δu вентиля и соответствующим изменением уровня Δh _liq жидкости линейным (контроллер уровня жидкости). Другими словами, для того, чтобы PID контроллер работал правильно во всем рабочем диапазоне (для отверстия вентиля и значений между 0 и 100%), отношение Δh _liq / Δu должно быть постоянным. Однако в нефте- и газопромысловой системе обычно это неверное предположение. Такое положение является результатом того, что отверстие вентиля влияет на выходной поток жидкости, который, в свою очередь, влияет на уровень жидкости, и эти взаимоотношения имеют в норме нелинейные характеристики.

Рассмотрим, например, поток жидкости q _liq через вентиль, заданный следующим уравнением:

где коэффициент вентиля C ^max _v определяется размером вентиля;

ƒ- характеристика вентиля;

u - отверстие вентиля, берутся значения между 0 и 100;

ΔP _v - падение давления через вентиль;

g _s - удельная масса жидкости.

Примером характеристики вентиля ƒ является так называемый равновесный вентиль

где R - параметр конструкции вентиля, обычно между 20 и 50. Очевидно, что отношение Δh _liq / Δu не является постоянным.

Пример. Переменное приращение процесса вследствие геометрии емкости.

Для буферного резервуара отношение скорости изменения уровня жидкости к соответствующему значению выходного потока жидкости зависит от геометрии емкости. Это отношение [ Δh _liq / Δt)/ Δq _liq,out называется приращением процесса и является функцией площади поверхности жидкости. Если площадь поверхности жидкости непостоянна, то функция уровня жидкости, отношение ( Δh _liq / Δt)/ Δq _liq,out будет непостоянным ( Δt должно пониматься как малая постоянная скалярная величина). Это называется переменное приращение процесса.

Как переменное приращение вентиля, так и переменное приращение процесса в худших случаях могут приводить к нестабильностям в петлях управления, поскольку набор PID параметров (K _p ,T _i ,T _d ) обычно определяется на основе (примерно) постоянных значений для приращений вентиля и процесса. Однако если эти приращения принимают значения вне большого диапазона при нормальных условиях работы, последствиями может быть то, что контроллер работает только хуже, поскольку эффект выхода ( Δu) контроллера будет много больше, чем ожидается контроллером (см. фиг. 18). Подобно этому для других условий работы эффект выхода контроллера будет много меньше, чем ожидается контроллером. На практике последнее является тем же самым, что отсутствие автоматического управления с обратной связью (разомкнутая петля).

Пример. Взаимодействия между управляемыми переменными.

Другим примером эффектов деградации является взаимодействие между управляемыми переменными. Это может приводить к плохой работе и низкой надежности, если не будет учитываться. Это означает то, что, когда контроллер с одной петлей обратной связи управляет своей переменной, это часто также влияет и изменяет другие переменные. Примером является взаимодействие между уровнем жидкости и давлением газа в сепараторном резервуаре. При изменении уровня жидкости это изменение меняет объем газа, что означает, что давление газа меняется. Часто система управления буфером разрабатывается как набор одиночных петель обратной связи, которые работают независимо. Это приводит к тому, что контроллер давления газа и контроллер уровня жидкости могут работать в противоположных друг другу направлениях и система в худшем случае может стать нестабильной.

Резюмируя вышеприведенные рассуждения, можно сказать, что уменьшение изменений скоростей потоков, используя всю доступную буферную емкость, в нефте- и газопромысловой системе является сложной задачей, состоящей из множества проблем разных уровней. На верхнем уровне задачей, например, является разработка контроллеров, которые минимизируют изменения скоростей потоков вне буферного резервуара, считая систему идеальной с отсутствием взаимодействий и нелинейностей. На среднем уровне проблемой являются, например, взаимодействия между управляемыми переменными, такими как уровни нефти и воды и давление газа. Наконец, для обеспечения того, чтобы система управления работала правильно при всех условиях работы, должны учитываться такие нелинейности, как переменные приращения вентиля и процесса.

Как показано на фиг. 17 и 18, большие изменения скоростей потоков могут быть вызваны большими изменениями скоростей потоков, вводимых в перерабатывающее оборудование/буферные резервуары, или созданы самой системой управления буферным резервуаром. Однако многофазные расходомеры часто отсутствуют на выходе поточных линий, что означает, что прямые измерения скоростей потоков, вводимых в перерабатывающее оборудование, отсутствуют. Таким образом, в промысловой системе трудно узнать причину любой определенной нестабильности/колебания скорости потока. Нестабильность скорости потока может быть вызвана, например, i) возмущениями потоков, вводимыми в промысловую систему, ii) неудачной настройкой и/или структурой системы управления (означает, что система управления создает колебания или усиливает входящие возмущения), или iii) вентилями управления вследствие их неспособности следовать выходным сигналам контроллеров достаточно точно.

Кроме того, во время вывода выработки нефти и газа в рабочий режим, включая запуск, могут быть значительные возможности для более быстрого увеличения производительности выработки. Вывод в рабочий режим в норме осуществляется с использованием кривых роста, описывающих отверстия выходных вентилей поточных линий как функцию времени. Они обычно консервативны и предопределены. Поэтому они не используют оперативные измерения из промысловой системы для регулировки кривой роста во время вывода в рабочий режим. Это, конечно, влияет на кумулятивную производительность. Когда выработка нефти и газа из трубопровода или скважины должна быть выведена в рабочий режим, например, во время запуска получения, это должно быть сделано без нарушения каких-либо ограничений в промысловой системе. Обычно эти ограничения изменяются и отражается на ограничениях, например, выходного потока трубопровода или давления верхнего отверстия в скважине. Например, доминирующим ограничением во время запуска может быть теплоемкость среды или это может быть приемная емкость по жидкости в сепараторном агрегате. Это, в свою очередь, может быть использовано для выбора пределов выходного потока жидкости трубопровода как такой функции времени, что входящий поток жидкости будет удерживаться в пределах ограничений принимающего оборудования. Обычный способ осуществления запуска состоит в отражении ограничений потока жидкости на ограничениях отверстия фонтанного штуцера выработки. Затем для отверстия фонтанного штуцера выработки осуществляется кривая роста и выполняется запуск в соответствии с этой кривой роста в режиме с разомкнутой петлей и прямой связью. Эта кривая роста состоит из значений отверстия фонтанного штуцера выработки как функции времени. Например, кривая роста может быть следующей (принимая начальное значение отверстия штуцера равным нулю): открыть штуцер на 10%, ждать 30 мин, затем открыть штуцер на 15%, ждать 20 мин, затем открыть штуцер на 25%, затем ждать 30 мин и т.д. Причина выполнения этого состоит в том, что на основе опыта оператор знает, что при следовании штуцером выработки кривой роста косвенно обеспечивается то, что выходной поток трубопровода не становится слишком большим или давление потока нижнего отверстия скважины не станет слишком малым за слишком короткое время. Очевидно, результирующая кривая роста может быть очень умеренной и субоптимальной, см. фиг. 19.

Заявитель не имеет представления о каких-либо всеобъемлющих модульных и гибких способах уровня техники, которые обрабатывают все задачи функционирования и/или управления с обратной связью и проблемы, описанные выше.

В уровне техники имеются некоторые предложения, направленные на решение проблем, связанных с уменьшением эффектов закупориваний из поточных линий. Некоторые из этих работ описывают введение или установление нового оборудования для решения этих проблем. Одно из этих предложений действительно связано с установкой оборудования в поточной линии: концепция расходомера Вентури, раскрытая в A.R. Almeida and M.DE.A. Lima Goncales: "Venturi for severe slug elimination", BHR Group 1999 Multiphase '99. Другие предложения включают в себя минисепаратор, называемый SSD, концепция Shell, описанная в PCT/WO 96/00604. Все новое оборудование затратно как для новых разработок, так и для переоборудования. Следовательно, существует большой экономический стимул для решений, которые не вводят новое оборудование и поэтому дешевле для осуществления.

Некоторые способы уровня техники применяют измерения в поточной линии либо для удаления, либо для уменьшения закупориваний с использованием выходного штуцера поточной линии. В первой категории удалений закупориваний существуют по меньшей мере два подхода к вызванным особенностями рельефа закупориваниям: запирание, Schmidt, Brill, Beggs, "Choking can eliminate severe pipeline slugging", Oil and Gas Journal 1979; и активный контроль с обратной связью Havre, Stornes, Stray, "Taming slug flow in pipelines", ABB review 2000, Molynex, Tait и Kinvig, "Characterization and active control of slugging in a vertical riser", BHR Group 2000 Multiphase technology и др. Эти подходы, однако, неприменимы к обработке гидродинамических закупориваний и закупориваний вследствие скребковой чистки. Также имеются случаи, когда измерения, необходимые для управления и контроля промысловой системой, недоступны для системы управления, поскольку необходимое измерительное оборудование не установлено.

В последней категории уменьшений закупориваний заявителю известны в уровне техники следующие соответствующие источники:

патент US 5014789, Clarke и др.;

Xu Z.G., Gayton P., Hall A., Rambaek J. BHR Group, 1997, Multiphase'97, pp 497-508;

патент US 5544672, Payne и др.;

WO 01/34940, G. Haandrikman и др.;

McDonald K.A., McAvoy T.J., Tits A. "Optimal Averaging Level Control", AlChe Journal, vol. 32, no. 1, pp. 75-86, January 1986.

Далее будут описаны указанные источники.

В патенте US 5014789, Clarke и др., описаны способы управления непрерывной газлифтной нефтяной скважиной, которые уменьшают отверстие выходного вентиля, когда имеется указание начала закупоривания или контролируемая скорость потока жидкости нарастает быстрее, чем предустановленное значение. Существуют по меньшей мере два важных отличия между этим патентом US и настоящим изобретением. Первое, и наиболее критичное, отличие заключается в том, что контроллер, описанный в US 5014789, всего лишь уменьшает степень открытия отверстия вентиля выходного потока скважины, если скорость потока нарастает слишком быстро, в то время как настоящее изобретение относится к заданному значению скорости потока и может как увеличивать, так и уменьшать отверстие вентиля выходного потока скважины для удержания скорости потока на заданном значении. Второе отличие заключается в том, что изменение приращения вентиля выходного потока скважины не учитывается.

Статья Xu Z.G., Gayton P., Hall A. и Rambaek J. описывает использование пропорционального контроллера с таким уровнем в сепараторе первой стадии, что вход и отверстие вентиля штуцера управляемы. Этот контроллер имеет более высокое заданное значение, чем контроллер с «нормальным » уровнем, воздействующий на выходной вентиль, но меньшее заданное значение, чем пределы останова. Проблема заключается в том, что способ управления или алгоритм не обеспечивает того, что вентиль будет оставлен полностью открытым после того, как закупоривание прошло, означая, что выходной поток из поточной линии может быть заглушен, даже если это не требуется для избегания проблем на перерабатывающем оборудовании, расположенном вниз по потоку. Другая проблема, связанная с использованием линейного пропорционального контроллера, заключается в том, что приращение в контроллере постоянно и не зависит от приращения управляемой системы. Однако приращение управляемой системы непрерывно изменяется и зависит от падения давления через вентиль, характеристик вентиля, геометрии сепаратора и свойств жидкости. Для избегания нестабильной работы, которая имеет место в случае, если результат приращения контроллера и системы слишком велик, производится перерегулировка на малое приращение контроллера. Это предполагает, что будет получена низкая производительность или, другими словами, что вентиль будет закрыт в большей степени, чем это необходимо. Это эквивалентно излишне малой выработке и производительности и, таким образом, нежелательно.

Подход, выбранный Payne и др., раскрытый в US 5544672, весьма похож. Здесь описываются система и способ управления уменьшением возмущения пробкового потока, осуществляющие использование одного или более сигналов из контроллера уровня входа сепаратора в качестве указания того, что объем жидкостного закупоривания больше, чем емкость сепаратора для его приема. Если это так, то дроссельный вентиль, установленный вверх по потоку от сепаратора, будет частично закрываться до предустановленного отверстия. Это предустановленное отверстие трудно подобрать. Обычно выбирается слишком малое отверстие, что, следовательно, приводит к излишне низкой выработке и производительности. Проблема по отношению к установке низкой производительности для избегания нестабильной работы также накладывается на часть обратной связи уровня сепаратора вниз по потоку по способу, описанному в этом патенте US. Кроме того, способ по Payne и др. основан на том, что определяется жидкостный объем закупоривания, протекающий по направлению к вентилю, что не требуется в настоящем изобретении.

WO 01/34940 описывает систему для подавления и управления жидкостными закупориваниями и пульсациями газа в жидкостно/газовом сепараторе. Система регулирует заданное значение выхода жидкостного вентиля в ответ на изменения одной или более выбранных переменных, таких как выходной поток газа, выходной поток жидкости, выходной поток жидкости и газа, уровень жидкости, давление газа, и средства управления (заданное значение выхода газового вентиля или заданное значение выхода жидкостного вентиля) автоматически время от времени изменяются, если одна или более выбранных управляемых переменных достигает предустановленного значения. Следовательно, одной из характеристик этой системы является переключение между управляемыми переменными. Во время нормальной работы управляющий вентиль выходного потока жидкости регулируется так, чтобы изменения уровня жидкости в сепараторе минимизировались. Управляющий вентиль потока газа также регулируется так, чтобы изменения суммы скоростей потоков жидкости и газа минимизировались.

Статья McDonald K.A., McAvoy T.J. и Tits A. сфокусирована на уменьшении скорости потока жидкости вне буферного резервуара, используя доступную жидкостную буферную емкость для идеальной системы. Таким образом, авторы принимают, что проблемы, встречающиеся на практике, такие как переменные приращения процесса и вентилей, не существуют. Эта статья также сфокусирована только на управлении уровнем и потоком жидкости, а такие проблемы, как взаимодействие между давлением газа и уровнем жидкости, когда имеется контроллер давления газа, не рассматриваются. Кроме того, защитные функции в терминах избегания подъема буферного резервуара вследствие большой скорости потока жидкости, вводимой в резервуар, также не рассмотрены или не указаны в этой статье.

Резюмируя, упрощенный характер способов управления, описанных в последних пяти источниках, подразумевает излишне низкую производительность систем, связанных с обработкой/уменьшением закупориваний. Кроме того, ни один из этих источников не направлен полностью на проблему обработки пробкового потока в том, что нижестоящее по потоку перерабатывающее оборудование может достичь своей максимальной нагрузочной емкости во время либо пиковых значений скорости жидкости, либо пиковых значений скорости газа, либо обоих, и что вход перерабатывающего оборудования должен быть открыт обратно в каждом из этих случаев.

Максимальная нагрузка достигается, когда скорость потока в перерабатывающем оборудовании больше, чем емкость по меньшей мере одного из его обрабатывающих устройств. Это будет проявляться следующим образом.

1. Выходная переменная контроллера в системе управления промысловой системой достигает предела, т.е. вентиль полностью открыт или достигнута максимальная скорость насоса.

2. Переменная становится критически высокой или низкой (вне заданных пределов безопасности/работы). Это часто вызывается тем, что система управления промысловой системы теряет управление этой переменной вследствие того, что выход контроллера, используемый для управления, достиг своего предела, т.е. переменная стала неуправляемой. Примером этого может быть то, что вентиль, который расположен на выходе перерабатывающего оборудования и который используется системой управления промысловой системы для управления давлением перерабатывающего оборудования, стал полностью открытым, в результате чего возможность понижения этого давления потеряна. Затем может стать необходимым уменьшение входного потока в перерабатывающее оборудование для избегания останова вследствие слишком высокого давления.

В некоторых случаях перерабатывающее оборудование, которое выполняет совместную работу, снабжено средствами безопасности, такими как блокировка вентиля, расположенного вверх по потоку. В этом случае поток от вышестоящего по потоку перерабатывающего оборудования будет уменьшаться и может привести к перегрузке этого оборудования. В других случаях средством безопасности может быть вентиль безопасности, что может приводит к вздутию, если давление газа в перерабатывающем оборудовании достигает предопределенного уровня. Промысловая система управляется и работает с множеством вентилей, насосов, компрессоров в дополнение к другому перерабатывающему оборудованию и емкостям. Обычно критические ситуации в промысловых системах происходят тогда, когда вентиль полностью открыт/закрыт или достигнута максимальная скорость насоса или нулевая компрессора.

Все эти критические ситуации могут случиться в любой части нижележащего по потоку перерабатывающего оборудования. Таким образом, не существенно, например, рассматривать только уровень и/или давление в сепараторе первой стадии для решения вопроса о том, перегружена система или нет, а значит, необходимо ли уменьшение входящего потока. Если входящий поток перерабатывающего оборудования не уменьшается при наличии проблем с емкостью в любом нижележащем по потоку перерабатывающем оборудовании, может произойти вздутие или останов промысловой системы. Это происходит вследствие того, что перерабатывающее оборудование промысловой системы обычно находится под контролем системы безопасности, которая приводится в действие, когда определено, что выбранные переменные достигли предустановленных пределов безопасности. Система безопасности затем производит останов, если требуется избежать повреждения людей, оборудования или окружающей среды.

Сущность изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является создание способа, который поддерживает максимизацию производительности и бесперебойности выработки нефте- и газопромысловой системы или ее части(частей).

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа, который оптимальным образом защищает нефте- и газопромысловую систему или ее часть(части) от перегрузки.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание способа, который оптимальным образом уменьшает изменения скорости потока в нефте- и газопромысловой системе или ее части (частях).

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа усовершенствованного вывода нефте- и газопромысловой системы или ее части(частей) в рабочий режим.

Изобретение может применяться для управления и/или контроля одного или более буферных резервуаров, емкостей или цистерн и/или выходного потока из многофазной жидкостной поточной линии (линий) в нефте- и газопромысловой системе. Изобретение также может применяться для уменьшения закупориваний, вызванных операциями скребковой чистки, относящимися к нефте- и газопромысловым системам, включая перерабатывающее оборудование сжиженного нефтяного газа (LPG, Liquefied Petroleum Gas) или сжиженного натурального газа (LNG, Liquefied Natural Gas).

Согласно настоящему изобретению вышеуказанные и другие задачи достигаются способом, охарактеризованным в формуле изобретения. Согласно изобретению предлагается способ автоматического управления и/или контроля с обратной связью нефте- и/или газопромысловой системы или ее части (частей), которая включает в себя один или более блоков обработки, и/или одну или более поточных линий, и/или одно или более средств управления, содержащий шаг

определения, посредством измерения или оценки, значения (значений) по меньшей мере одного уровня, или давления, или скорости потока, или индикатора нагрузки, связанного по меньшей мере с одним из указанных блоков обработки и/или с одной из поточных линий,

и по меньшей мере один из следующих шагов в зависимости от условий/требований работы и промысловой системы:

расчет установки (установок), т.е. значения (значений) соответствующей уставки (уставок), для указанных средств управления на основе по меньшей мере одной управляемой переменной в виде указанного измеренного или оцененного уровня, или давления, или скорости потока, или индикатора нагрузки, включая компенсацию нелинейности (нелинейностей) указанных средств управления предпочтительно с использованием по меньшей мере одного модуля управления;

оценка по меньшей мере одной из скорости (скоростей) потока нефти, газа, воды или жидкости, входящего или выходящего по меньшей мере в один или из одного из указанных блоков обработки и/или в одну или из одной поточных линий, предпочтительно с использованием модуля оценки.

Предпочтительно шаг расчета установки (установок) средств управления на основе по меньшей мере одной управляемой переменной содержит по меньшей мере один из следующих шагов:

уменьшение изменений скорости потока через промысловую систему или ее часть (части) путем использования доступной буферной емкости в указанной промысловой системе или ее части (частях), предпочтительно используя модуль сглаживания выходного потока;

избегание перегрузки промысловой системы или ее части (частей), которое осуществляют на основе по меньшей мере одного индикатора нагрузки при обеспечении того, что производительность промысловой системы или ее части (частей) не ограничивается более чем это необходимо, предпочтительно с использованием модуля избегания перегрузки;

автоматическое выведение производительности промысловой системы или ее части (частей) в рабочий режим на основе оперативного измерения (измерений) и/или оценки (оценок), предпочтительно с использованием модуля вывода в рабочий режим.

Шаг компенсирования нелинейностей предпочтительно включает в себя, примерно или точно, исключение нежелательных эффектов нелинейностей, таких как изменения в приращении (приращениях) средств обработки и/или управления. Шаг компенсирования также может включать в себя исключение нежелательных эффектов нелинейностей, такие как прилипание, трение, зоны нечувствительности, люфт или гистерезис.

Предпочтительно изменения приращения (приращений) средств управления исключают на основе расчета отношения изменения соответствующей скорости (скоростей) потока к изменению соответствующей установки (установок) средств управления, а указанные изменения приращения процесса исключают на основе расчета отношения скорости изменения управляемой переменной (переменных), такой как давление (давления) газа и/или уровень (уровни) жидкости, к изменению соответствующей скорости (скоростей) потока.

Шаг уменьшения изменения (изменений) скорости потока предпочтительно включает в себя расчет доступной буферной емкости на основе информации о доступном диапазоне изменений указанной управляемой переменной (переменных), такой как уровень (уровни) и/или давление (давления), и измерении (измерениях) и/или оценки (оценок) указанной управляемой переменной (переменных). Определение указанной информации о доступном диапазоне изменений указанной управляемой переменной (переменных) осуществляют самим способом, либо внешне, либо предоставляют со стороны пользователя.

Предпочтительно шаг уменьшения изменения (изменений) скорости потока дополнительно включает в себя расчет установки (установок) средств управления, которая минимизирует изменение (изменения) скорости потока заданной доступной буферной емкостью без ограничения производительности более чем это необходимо. Шаг расчета установки (установок) указанных средств управления предпочтительно содержит компенсирование нежелательных связей между указанными средствами управления и указанной управляемой переменной (переменными), предпочтительно с использованием функциональных средств развязывания. Расчет установки (установок) предпочтительно основан на алгоритме предсказательного контроля по модели (МРС, Model Predictive Control) и/или наборе PID контроллеров.

Предпочтительно шаг избегания перегрузки включает в себя расчет указанного индикатора (индикаторов) посредством измерения и/или оценки значения (значений) по меньшей мере одной переменной, которая содержит информацию о нагрузке промысловой системы относительно максимальной и/или минимальной нагрузки. Указанная переменная (переменные) включает в себя отверстия управляющего вентиля или дросселя, уровни жидкостей, давления, температуры, скорости потоков, плотности, количество оборотов в минуту компрессора и мощность компрессора или производные измерения, как функцию. Индикатор (индикаторы) нагрузки предпочтительно автоматически удерживаются неположительными и как можно более близкими к нулю без ограничения производительности более чем это необходимо.

Предпочтительно шаг вывода производительности промысловой системы или ее части (частей) в рабочий режим включает в себя измерение или оценку указанной управляемой переменной (переменных) и расчет указанной установки (установок) средств управления так, что указанная управляемая переменная (переменные) отслеживает по меньшей мере одну кривую вывода в рабочий режим для указанной управляемой переменной (переменных), как функцию времени. Предпочтительно шаг расчета включает в себя расчет указанной установки (установок) средств управления для каждой указанной кривой вывода в рабочий режим и выбор указанной установки (установок) средств управления, соответствующей наименьшему нарушению ограничения (ограничений) кривой вывода в рабочий режим, соответствующих указанной кривой (кривых) вывода в рабочий режим. Шаг расчета предпочтительно дополнительно включает в себя повторное определение управляемой переменной (переменных) и/или кривой (кривых) вывода в рабочий режим так, чтобы уменьшение установки (установок) средств управления приводило к уменьшению нарушения соответствующего ограничения (ограничений) кривой вывода в рабочий режим и чтобы шаг выбора осуществлялся выбором наименьшей установки средств управления. Шаг вывода в рабочий режим предпочтительно осуществляется автоматически и, по существу, непрерывно.

Предпочтительно шаг оценки скорости потока (потоков) основан на балансе масс, и/или балансе энергий, и/или балансе моментов, и/или опытном соотношении (соотношениях), связанном с промысловой системой или ее частью (частями), использующем историческое и/или оперативное значение (значения) указанного измерения (измерений) и/или оценки (оценок). Шаг оценки предпочтительно основан, по меньшей мере, на динамическом балансе масс, а опытное соотношение (соотношения) предпочтительно предоставляет информацию о соотношении между измерением (измерениями) и/или оценкой (оценками) и оцениваемой скоростью (скоростями) потока.

Настоящее изобретение также относится к системе управления для выполнения способа по изобретению и компьютерному программному продукту для выполнения одного или более шагов способа по изобретению, а также к машиночитаемому носителю данных, содержащему указанный программный продукт.

Дополнительные преимущества изобретения очевидны из последующего описания и зависимых пунктов формулы.

Перечень чертежей

Далее со ссылкой на прилагающиеся чертежи более детально описываются предпочтительные варианты осуществления изобретения, упоминаемые как примеры.

На фиг. 1 показана общая промысловая система, в которой может быть применен способ по изобретению;

на фиг. 2 - обзор главных внутренних функциональных модулей, состоящих из модуля оценки и трех управляющих модулей способа по изобретению;

на фиг. 3 - детальный пример функциональных средств базового уровня модуля сглаживания выходного потока;

на фиг. 4 - поточная линия с вентилем, используемая в примере расчета приращения вентиля;

на фиг. 5 - пример функциональных средств промежуточного уровня в модуле сглаживания выходного потока по фиг. 3;

на фиг. 6 - концептуальный эскиз трехфазного нефте/водо/газового сепаратора на основе гравитации;

на фиг. 7 - вариант осуществления автоматической системы управления с обратной связью, в которой используется так называемый модуль избегания перегрузки согласно настоящему изобретению;

на фиг. 8 - другой вариант осуществления автоматической системы управления с обратной связью, в которой используется так называемый модуль избегания перегрузки согласно настоящему изобретению;

на фиг. 9 - примерная промысловая система, которая включает в себя поставщика и перерабатывающее оборудование, к которой может быть применено настоящее изобретение;

на фиг. 10 - структура варианта осуществления автоматической системы управления с обратной связью для поставщика и перерабатывающего оборудования по фиг. 9, сфокусированная на избегании перегрузки со сглаживанием выходного потока;

на фиг. 11 - более детально структура системы управления по фиг. 10;

на фиг. 12 - результаты моделирования, полученные для управления системой по фиг. 9 с использованием настоящего изобретения;

на фиг. 13 - вариант осуществления так называемого модуля вывода в рабочий режим;

на фиг. 14 проиллюстрирована концепция оценки входящих потоков с помощью так называемого модуля оценки входящего потока;

на фиг. 15 - система, для которой входящие потоки оцениваются модулем оценки входящего потока;

на фиг. 16 - вариант осуществления автоматической системы управления с обратной связью для управления буферным резервуаром с использованием настоящего изобретения;

на фиг. 17 проиллюстрировано точное управление уровнем в буферном резервуаре согласно уровню техники;

на фиг. 18 проиллюстрированы результаты контроллера, который усиливает возмущения, вводимые в буферный резервуар согласно уровню техники;

на фиг. 19 проиллюстрировано, как обычно разрабатываются кривые роста в уровне техники.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 показана общая промысловая система, включающая в себя перерабатывающее оборудование, в которой может быть применен способ по изобретению. Система содержит одну или несколько поточных линий 1 с соответствующими выходными вентилями 1а, 1b, один или более приемных обрабатывающих блоков 2, один или более обрабатывающих блоков 3 и автоматическую систему 4 управления с обратной связью, причем один или более приемных обрабатывающих блоков 2 и один или более нижележащих по потоку обрабатывающих блоков 3 с соответствующими трубами 1 и оборудованием представляют собой перерабатывающее оборудование.

Термин «поточные линии » включает в себя многофазные и однофазные трубопроводы, стояки, скважины или трубы, соединяющие перерабатывающие блоки и оборудование.

Термин «обрабатывающий блок » включает в себя один или более буферных резервуаров, емкостей или цистерн, таких как двух- и трехфазные сепараторы, коагуляторы, ловушки конденсата, компрессоры, дегазаторы, линейные дегазаторы, линейные удалители жидкости, дистилляционные колонны, насосы, газоочистители, контакторы триэтиленгликоля (TEG) или теплообменники.

Термин «средства управления » должен пониматься как любое устройство или управляющий сигнал (сигналы), которые могут быть использованы для воздействия, прямого или непрямого, на управляемую переменную (переменные). Обычно средства управления включают в себя дроссели, управляющие вентили, двухпозиционные вентили, число оборотов насосов, число оборотов компрессоров, уставки отверстий дросселя или управляющего вентиля, уставки контроллера потока, уставки числа оборотов насоса и уставки числа оборотов компрессора. Под установками средств управления понимается значения соответствующих уставок.

Например, если выходной вентиль 1а поточной линии отсутствует, в промысловой системе на фиг. 1 должны быть представлены некоторые другие средства управления выходным потоком поточной линии. Такие средства управления могут включать в себя уставки скорости насоса или уставки давления приемного блока (блоков) обработки.

На фиг. 1 сигнал 6 представляет собой все измерения переменных, связанных с приемным блоком (блоками) 2 обработки и блоком (блоками) 3 обработки. Сигналы измерений переменных, связанных с каждым из указанных блоков 2, 3, отмечены как 6b. Сигналы 8 представляют измерения переменных, связанных с выходом поточной линии 1. Эти измерения могут быть вверх по потоку и/или вниз по потоку от выходного вентиля 1а. Выходные сигналы управления из контрольной системы 4 обозначены номерами 5 (5b) и 5а. Номер 5а обозначает сигнал или уставку отверстия выходного вентиля для выходного вентиля 1а, в то время как 5 (5b) обозначает уставки отверстий вентилей для всех вентилей 1b, с которыми соединена система 4 управления. Выходной сигнал 7 обозначает оценки скоростей потоков, входящих в перерабатывающее оборудование, и/или оценки скоростей потоков между обрабатывающими блоками 2, 3 в перерабатывающем оборудовании. Эти оценки также могут быть использованы внутри системы 4 управления с обратной связью в зависимости от того, как много измерений потоков доступны в сигналах 6 и 8. Измерительные сигналы 6 и 8 подаются в систему 4 управления непрерывно так, что система управления может осуществлять автоматическое управление вентилями 1а и 1b с обратной связью непрерывно.

Важно отметить, что изобретение не ограничивается:

1) использованием сигналов отверстий вентилей как средствами управления потоками,

2) любыми конкретными являющимися доступными средствами управления,

3) любым конкретным числом средств управления до тех пор, пока существует по меньшей мере одно.

Для упрощения описания и сосредоточения на изобретении самом по себе, а не на множестве промысловых систем, к которым оно может быть применено, в последующем описании сигналы уставки отверстия вентиля выбраны как представление общего термина средств управления.

На фиг. 2 схематично показаны четыре основных внутренних функциональных модуля способа по изобретению: оценки входящего потока, избегания перегрузки, вывода в рабочий режим и сглаживания выходного потока. Последние три модуля являются модулями управления, а первый модуль является модулем оценки. Модули управления осуществляют автоматическое управление с обратной связью, используя оперативные измерения и/или оценки. Модуль оценки может использовать как оперативные, так и/или исторические измерения, и/или оценки. Эти функциональные модули содержат алгоритмы. Алгоритмы могут быть основаны на компонентах динамического и/или устойчивого состояния, таких как PID контроллеры, балансы масс, энергий или моментов динамического и/или устойчивого состояния. Модули могут быть гибкими в том плане, что все они могут использоваться интегрировано так, чтобы объединяться или взаимодействовать друг с другом в любой комбинации, содержащей два или более модулей, или быть использованными по отдельности для максимизации производительности и бесперебойности выработки промысловой системы. Далее функциональные модули описываются более детально.

Модуль сглаживания выходного потока

Так называемый модуль сглаживания выходного потока содержит три основных типа функциональных средств управления, которые работают на разных уровнях: функциональные средства базового уровня, первый подмодуль, сфокусированный обычно на местном базовом управлении давлением, уровнем и потоком, связанными с буферной цистерной или буферным объемом, который может состоять из нескольких буферных цистерн и/или объемов поточных линий или другого перерабатывающего оборудования, с использованием способов компенсации нелинейностей (таких как линеаризация), и планирование приращения. Промежуточный уровень функциональных средств, второй подмодуль, развязывает управляемые переменные для избегания нежелательных эффектов противодействия в комбинированной системе с так называемой обратной связью, состоящей из системы управления с ее алгоритмами согласно настоящему изобретению, и самой промысловой системы. Кроме того, он может осуществлять компенсацию возможных изменений приращения процесса вследствие геометрии емкости. Верхний уровень функциональных средств, третий подмодуль, обычно рассчитывает и координирует уставки потока, связанные с базовым уровнем, первым подмодулем, такие как доступная емкость буферного объема во всей промысловой системе (обычно состоящей из доступных объемов в нескольких буферных цистернах и/или объемов поточных линий или другого перерабатывающего оборудования) оптимально используется при обеспечении достаточной управляемости, то есть при обеспечении возможности достижения приемлемого выполнения управления в текущей рабочей точке для всех ожидаемых неполадок.

Вышеописанное разделение модуля сглаживания выходного потока на три подмодуля, работающих на различных уровнях, должно пониматься как пример. Основной причиной для такого разделения является упрощение представления.

Первый подмодуль

Функциональные средства базового уровня, первый подмодуль, в модуле сглаживания выходного потока более детально показан на фиг. 3 в качестве примера. Этот подмодуль включает в себя ведущие контроллеры 10, которые используют измерительные сигналы 11, обычно давлений и уровней границ раздела. Ведущие контроллеры 10 являются котроллерами с обратной связью, включающими в себя защиту антинасыщения. Примеры контроллеров с обратной связью включают в себя PID контроллеры. Сигнал 12 состоит из планируемых переменных и вводится в функциональное средство 13 планирования приращения. Примерами планируемых переменных являются измерения давления газа и уровней жидкостей (в этом случае сигнал 12 равен сигналу 11) или ошибки управления, связанные с управлением давлением газа и уровнями жидкости. Функциональные средства планирования приращения вычисляют новые параметры 14 контроллера для ведущих контроллеров 10 на основе значений 12 планируемых переменных. Это дает контроллеру возможность реагировать различным образом на основе имеющейся ситуации. Обычным примером, иллюстрирующим необходимость этого, является управление уровнем в емкости. Контроллер уровня обычно должен реагировать медленно при работе вокруг уставки уровня для того, что иметь возможность ослаблять, сглаживать или уменьшать изменения потока жидкости вне емкости. Однако если текущий уровень приближается к значениям верхнего или нижнего пробега уровня, контроллер должен реагировать более быстро. Это означает, что контроллер должен обладать способностью автоматически регулировать свое приращение в зависимости от текущего уровня жидкости в емкости.

Выходной сигнал 15 из ведущих контроллеров 10 является уставками для выходных потоков, связанных с сигналами 11, то есть если сигналы 11 состоят из измерений давления газа и уровней нефти и воды в сепараторе, то выходной сигнал 15 обычно состоит из уставок для потоков газа, нефти и воды из сепаратора или соответствующих уставок отверстий управляющих вентилей. Выходной сигнал 15 посылается в средства 16 администрирования уставок. Во время своей обработки средства 16 администрирования уставок могут принять следующие уставки: 1) уставки для выходных потоков, поступающие от ведущих контроллеров, указываемые сигналом 15, 2) уставки от функциональных средств верхнего уровня, которые рассчитывают уставки выходного потока на основе уменьшения изменений скорости выходного потока, указываемые сигналом 17, 3) уставки из модуля избегания перегрузок, указываемые сигналом 18, 4) корректировки уставок, рассчитываемые функциональными средствами развязывания (часть функциональных средств промежуточного уровня, как описано ниже), указываемые сигналом 19, и 5) корректировки уставок, рассчитанные функциональными средствами для компенсации геометрии емкостей (часть функциональных средств промежуточного уровня, как описано ниже), указываемые сигналом 20.

Средства 16 администрирования уставок выбирают уставки, которые будут использованы на основе текущей ситуации. Если разрешены уставки 17, то есть включены функциональные средства верхнего уровня, средства администрирования уставок выбирают эти уставки. В противном случае выбираются уставки 15, задаваемые ведущими контроллерами 10. Однако если включен модуль избегания перегрузки и по меньшей мере одна переменная в сигнале 11 выше верхнего предела (предопределенного оператором), средства администрирования уставок выбирают уставки 18, поступающие из модуля избегания перегрузок.

Сигнал 19 состоит из корректировок уставок выходных потоков, рассчитанных функциональными средствами развязывания. Эти корректировки вычитаются из выбранных уставок (сигналы 15, 17 или 18) средствами администрирования уставок. Результаты добавляются в корректировки уставок, рассчитанные функциональными средствами для компенсации переменного приращения процесса вследствие геометрии емкости. Сигнал 20 состоит из этих корректировок уставок.

Окончательные уставки 21 посылаются на функциональные средства 22 проверки управляемости. Сигнал 23 состоит из измерений отверстий вентилей и падений давлений на этих вентилях (если доступны). Затем функциональные средства 22 проверяют, может ли управляемая система достичь уставок, заданных сигналом 21. Обычным примером является то, что, если уставка выходного потока нефти выше текущего выходного потока нефти, выходной вентиль нефти уже полностью открыт. Это означает, что увеличение этого потока простой регулировкой отверстия вентиля невозможно. Такая ситуация указывается функциональными средствами 22 проверки управляемости сигналом 24.

Уставки 25 выходных потоков затем посылаются в ведомые контроллеры 26. Ведомые контроллеры обычно являются PID контроллерами, включающими в себя защиту против насыщения. Ведомые контроллеры используют измерения или оценки управляемого выходного потока, предоставляемые сигналом 27. Сигнал 28 состоит из планируемых переменных и вводится в функциональные средства 29 планирования приращения. Примерами планируемых переменных являются измерения или оценки выходных потоков (в этом случае сигнал 28 равен сигналу 27) или ошибками управления, связанными с выходными потоками. Функциональные средства 29 планирования приращения вычисляют новые параметры 30 управления для ведомых контроллеров 26 на основе значений 28 сигналов планируемых переменных.

Выходной сигнал 31 из ведомых контроллеров 26 является уставками для отверстий вентилей выходных потоков, связанных с выходными потоками 27 и измерениями 11. Эти уставки посылаются в функциональные средства 32 компенсации приращения средств управления переменными - функциональные средства линеаризации. Эти функциональные средства рассчитывают приращение средств управления Δq/ Δu на основе исторических или оперативных измерений переменных, предоставляемых сигналом 33, где q является управляемым потоком и u является выходным сигналом 34. Примерами измерений являются падение давления через вентиль, текущее отверстие вентиля, показания денситометра и скорость потока.

Поскольку расположение функциональных средств развязывания зависит от конкретной управляемой системы, см. ниже, описание выше указывает только обычный поток сигналов, связанный с функциональными средствами развязывания. Однако функциональные средства развязывания также могут преобразовывать сигналы 11, 15 или 34.

Примеры

Рассмотрим поточную линию, показанную на фиг. 4, и будем считать, что поточная линия переносит жидкость. Вентильный поток для жидкостного вентиля задается выражением

где q - объемный поток через вентиль [американских галлонов/мин (USGPM, United States gallons per minute)],

C _v (u) - вентиль C _v при u

ΔP _v - падение давления через вентиль [Psi],

g _s - удельная масса жидкости вверх по потоку вентиля (относительно воды) [-].

Некоторыми общими характеристиками вентиля являются

равновесное соотношение,

линейность,

быстрое открывание,

модифицированное равновесное соотношение,

где C _v ^max - вентиль C _v при u = 100%

R - амплитуда изменений вентиля,

а - степень модификации из равновесного соотношения в линейное.

Определим

z ₁ как данные входа поточной линии, м,

Р ₁ как давление на входе поточной линии, Па,

z ₂ как данные вентиля, м,

z ₃ как данные выхода поточной линии, м,

Р ₂ как давление на выходе поточной линии, Па,

k _1,i как коэффициенты малых потерь вверх по потоку от вентиля [-],

k _2,i как коэффициенты малых потерь вниз по потоку от вентиля [-],

n _i как число сужений/соединений и изгибов вверх по потоку (i=1) и вниз по потоку (i=2) от вентиля,

как преобразование блока

как преобразование блока [(м ³ /с)/USGPM],

ƒ ₁ как коэффициент трения вверх по потоку от вентиля [-],

ƒ ₂ как коэффициент трения вниз по потоку от вентиля [-],

А ₁ как площадь поперечного сечения поточной линии вверх по потоку от вентиля, м ² ,

А ₂ как площадь поперечного сечения поточной линии вниз по потоку от вентиля, м ² ,

ρ ₁ как плотность жидкости вверх по потоку от вентиля, кг/м ³ ,

ρ ₂ как плотность жидкости вниз по потоку от вентиля, кг/м ³ ,

L ₁ как длина поточной линии вверх по потоку от вентиля, м,

L ₂ как длина поточной линии вниз по потоку от вентиля, м,

D ₁ как диаметр поточной линии вверх по потоку от вентиля, м,

D ₂ как диаметр поточной линии вниз по потоку от вентиля, м,

и пусть

тогда ΔP _v = ( ΔP _p + ΔP _g - q ² R _p )c ₁ . Теперь можно показать, что поток жидкости задается выражением

означающим, что приращение вентиля задается выражением

для вентиля модифицированного равновесного соотношения.

Альтернативно, для компенсации характеристики вентиля предназначен более простой и грубый подход. Однако характеристика вентиля основана на постоянном падении давления через вентиль. Это означает, что характеристика установленного вентиля будет отличаться от характеристики вентиля на основе этого постоянного падения давления. Однако рассмотрим равенство (3) и будем считать, что вентиль имеет равновесное соотношение, то есть

Для компенсации (линеаризации) этой характеристики вентиля может быть введена следующая функция:

где u - первоначальный выход контроллера (сигнал 31 на фиг. 3), а ũ -модифицированный выход контроллера (сигнал 34 на фиг. 3), можно увидеть, что

которое является линейной функцией u. Кроме того, нелинейность может быть исключена простым делением на если доступны изменения падения давления. Однако должно быть уделено внимание, если мало.

Ссылаясь вновь на фиг. 3, функциональные средства 32 компенсации приращения средств управления переменными рассчитывают и масштабируют подаваемые в командах уставки 31 отверстий вентилей, поступающих из ведомых контроллеров 26, так, что ведомые контроллеры «видят » только вентили с постоянным приращением блока.

Второй подмодуль

На фиг. 5 функциональные средства промежуточного уровня состоят из развязывания и компенсации переменного приращения процесса вследствие геометрии емкости. Например, в трехфазном сепараторе для разделения фаз нефти/газа/воды будут развязываться все три фазы. Если уровень жидкости меняется, это будет влиять на давление газа, поскольку объем газа внутри емкости изменяется. Если изменяется уровень воды, то это, очевидно, приведет к изменению уровня нефти. Если изменяется давление газа, то это повлияет на выходной поток нефти, поскольку давление вверх по потоку от выходного вентиля нефти изменяется. Это вновь влияет на уровень нефти. То же самое верно для давления газа и уровня воды. Такие взаимосвязи исключаются функциональными средствами 50 развязывания. Функциональные средства 50 развязывания включают в себя некоторые способы из теории управления, которая включает в себя динамическое нелинейное развязывание, см., например, второе издание Alberto Isidori, "Nonlinear Control Systems", Springer Verlag, ISBN 0-387-50601-2 или второе издание Sigurd Skogestad, Ian Postlethwaite, "Multivariable Feedback Control", Wiley, ISBN-13 978-0-470-01167-6. Функциональные средства 50 развязывания предназначены для того, чтобы сделать систему управляемой, включая диагональ функциональных средств развязывания. Под диагональю системы понимается система, в которой каждое управляющее средство влияет на одну и только одну управляемую переменную. Это означает, что контроллер может быть разработан на основе одновходовой и одновыходовой стратегии разработки контроллера. Размещение функциональных средств 50 развязывания на фиг. 5 в потоке сигналов фиг. 3 зависит от конкретной управляемой системы. Входные сигналы 51 и 52 функциональных средств 50 развязывания обычно выходят из ведущего контроллера или ведомых контроллеров и измерений потока, давления и уровня. Выходные сигналы 53 и 54 функциональных средств 50 развязывания обычно передают корректировки уставок потоков или корректировки уставок отверстий вентиля.

Компенсация переменного приращения 55 процесса из чистого выходного потока в уровень воды и/или нефти и/или давление газа вследствие геометрии емкости выполняется путем предоставления информации об отношении 57 скорости изменения уровня нефти к изменению блока в чистом выходном потоке нефти как функции уровня 56 нефти, подобным образом осуществляется и для уровня 56 воды и давления 56 газа. Для давления газа указанное отношение обычно является функцией объема 56 газа и температуры 56.

Третий подмодуль

Эти функциональные средства верхнего уровня рассчитывают и координируют уставки потоков, выдаваемые средствам 16 администрирования уставок функциональных средств базового уровня (см. фиг. 3). Однако следует особо выделить то, что не обязательно иметь контроллер (контроллеры) потока на базовом уровне. Эти функциональные средства верхнего уровня также могут рассчитывать уставки отверстий вентилей вместо уставок потоков. Далее считается, что на базовом уровне имеются контроллеры потоков, как описано выше, причем нелинейности, переменные приращения процессов и нежелательные взаимосвязи (или взаимодействия) между средствами управления и управляемыми переменными компенсированы вне этих функциональных средств верхнего уровня. Однако функциональные средства также могут включать в себя функциональные средства для обработки нелинейностей, переменных приращений процессов и взаимодействий.

Третий подмодуль использует управление с обратной связью для уменьшения изменений выходного нисходящего потока нефти, воды или газа буферного резервуара или системы, содержащей несколько буферных резервуаров или другое оборудование с буферными емкостями (как, например, сепараторная сборка). Причины для этого включают

меньше изменений потока предполагает меньше шансов для расцепления расположенного вниз по потоку оборудования;

меньше изменений потока предполагает меньший износ оборудования и меньшее время простоя вследствие технического обслуживания;

обычно проще выполнять требования по качеству нефти, воды и газа, если изменения скоростей потоков держатся на минимуме.

Использование буферного объема обрабатывающего блока (блоков)/оборудования и/или поточной линии (линий) предполагает, что уровень (уровни) жидкости и давление изменяются, делая, таким образом, приоритетным уменьшение флуктуаций скоростей потоков, исходящих из буферной емкости. То, какие изменения уровня (уровней) и давления (давлений) допускаются, должно быть основано на компромиссе между

потенциальным увеличением продукции;

снижением качества продукции, выводимой из емкости, вследствие изменений уровней и давления;

улучшением качества вследствие более стабильной подачи в нижележащее по потоку оборудование;

сниженный износ оборудования.

В качестве примера, функциональные средства верхнего уровня используют измерения давления газа и уровней жидкостей и на выходе имеются уставки для выходных потоков газа, нефти и воды и входящего потока (трехфазный сепаратор). Оператор может установить верхний и нижний пределы для давления газа и уровней жидкости в соответствующем буферном резервуаре (резервуарах). Кроме того, сигнал 24 на фиг. 3, который указывает степень управляемости системы, используется как входящее для этих функциональных средств верхнего уровня таким образом, что регулируются уставки выходного потока и/или входного потока, если управляемость мала. Способ по изобретению рассчитывает уставки скоростей потоков или уставки отверстий вентилей для выхода и/или входа буферного резервуара (резервуаров), что минимизирует изменения выходного потока, удерживая давления/уровни согласно заданным ограничениям внутри их определенных диапазонов и обеспечивая управляемость. То, насколько изменения выходного потока могут быть сглажены, зависит от того, как много давлений и уровней разрешено менять.

Уставки скоростей потоков или уставки отверстий вентилей рассчитываются с использованием контрольного алгоритма, который минимизирует изменения скорости выходного потока в заданных ограничениях, в которых давление (давления) газа и/или уровни жидкости должны удерживаться между их соответствующими верхними и нижними пределами, путем удерживания отверстий входных (подающих) вентилей перерабатывающего оборудования как можно более высокими. Контрольный алгоритм может быть основан на алгоритме предсказательного контроля по модели (МРС, Model Predictive Control) или наборе контроллеров PID с соответственной логикой координации.

Модуль избегания перегрузки

Модуль избегания перегрузки (см. фиг. 2) будет (если необходимо) перекрывать все остальные описанные функциональные средства в целях защиты промысловой системы от перегрузки.

Модуль избегания перегрузки рассчитывает установки, то есть значения уставок, для средств управления на основе определения по меньшей мере одного индикатора нагрузки наряду с компенсированием им нелинейностей средств управления. Это обеспечивает то, что производительность не ограничивается более чем это необходимо для избегания того, что промысловая система или ее часть (части) являются перегруженными.

В основе модуля избегания перегрузки лежит доступность одного или более измерений или оценок, которые определяют значение (значения) переменной (переменных), которые содержат информацию о нагрузке промысловой системы относительно максимальной (минимальной) нагрузки. Такая переменная (переменные) называется нагрузочным индикатором (индикаторами). Примерами измерений являются отверстия управляющего вентиля или дросселя, уровни жидкостей, давления, температуры, скорости потоков, плотности, количество оборотов в минуту компрессора и мощность компрессора или производные измерения как их функции. Специалист в данной области техники может определить другие подходящие измерения и соответствующие индикаторы нагрузки для каждого случая.

Целью алгоритма управления в модуле избегания перегрузки является то, что манипуляции управляемыми переменными направлены на удерживание индикатора (индикаторов) нагрузки неположительными и как можно ближе к нулю. Управляющий алгоритм использует обратную связь от индикаторов нагрузки и регулирует (повышает/понижает) средства управления, такие как уставки отверстий управляющих вентилей или дросселей так, чтобы промысловая система работала как можно ближе к ее максимальной нагрузке.

Например, если уровень жидкости в одном буферном резервуаре приближается к критически высокому значению, способ управления по изобретению сначала проверит индикатор (индикаторы) нагрузки вниз по потоку от буферного резервуара для того, чтобы увидеть, имеется ли там какая-либо доступная буферная емкость. Если это так, модуль избегания перегрузки будет увеличивать выходной поток жидкости буферного резервуара, повышая уставку выходного потока жидкости, посылаемой в средства администрирования уставок (сигнал 18 на фиг. 3), или увеличивая отверстие вентиля выходного потока жидкости. Если это невозможно - вентиль выходного потока жидкости может быть уже полностью открыт, или часть промысловой системы вниз по потоку от буферного резервуара может быть уже полностью нагружена - модуль избегания перегрузки будет уменьшать входящий поток жидкости в буферный резервуар, понижая уставку входящего потока жидкости или отверстие вентиля входящего потока жидкости.

Ссылаясь на фиг. 1, модуль избегания перегрузки использует измерения переменных (сигнал 6), связанных с блоками обработки и оборудованием в перерабатывающем оборудовании. Модуль осуществляет использование вентиля 1а, или вентиля (вентилей) 1b, или других средств управления потоками. По алгоритму управления результирующие сигналы 5а и 5 (5b) посылаются на вентили 1а и 1b и модуль имеет дело непосредственно с проблемой или удержанием промысловой системы ниже или на ее максимуме нагрузки в случаях, когда скорость подачи в приемный блок (блоки) обработки или в блок (блоки) обработки в перерабатывающем оборудовании потенциально становятся временно слишком высокой.

Алгоритм управления для удержания индикатора нагрузки ниже или на нуле может быть в любой форме, включая в себя контроллер PID. Однако необходимо, чтобы выбранный индикатор нагрузки был одним из тех, на которые влияют регулировкой управляющих средств буферного резервуара, таких как вентили управления. Для обеспечения того, что модуль избегания перегрузки не приводит к нежелательным ограничениям производительности промысловой системы, алгоритм этого модуля должен иметь интегральное действие в некоторый форме. Это будет непрерывное усилие, направленное на открытие вентиля (вентилей), когда это возможно, то есть когда индикаторы нагрузки ниже нуля. Поскольку сюда включены планирование приращения и компенсация переменного приращения средств управления, такого как приращение вентиля управления, то система может работать ближе к оптимальности, то есть это дает возможность снижения средних отверстий вентилей менее, чем это должно быть в этом случаях в других вариантах и тем, что обеспечивает повышенную производительность.

На фиг. 7 проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления автоматической системы 70 управления с обратной связью, к которой применяется модуль избегания перегрузки и где может этим модулем регулироваться выходной вентиль 71 поточной линии. В этом варианте осуществления система 70 управления включает в себя два вспомогательных блока 72, 73 управления и селектор 74. Показана система 70 управления для приема, по меньшей мере, первого измерительного сигнала 77, по меньшей мере, первой переменной, а также, по меньшей мере, второй измерительный сигнал 76, по меньшей мере, второй переменной от расположенного вниз по потоку перерабатывающего оборудования 78. Первый измерительный сигнал 77 посылается на первый вспомогательный блок 72 управления. Затем вспомогательный модуль 72 управления использует определенный алгоритм для расчета значения отверстия вентиля 71. Второй измерительный сигнал 76 посылается на второй вспомогательный блок 73 управления. Этот вспомогательный блок 73 управления сравнивает измеренное значение 76 переменной с предопределенным пределом. Затем вспомогательный контроллер 73 использует определенный алгоритм для расчета значения отверстия вентиля 71. В селекторе 74 - в зависимости от значения сигнала 77 (см. ниже) - либо выбирается наименьшее из двух отверстий вентиля, либо используется отверстие вентиля, рассчитанное вспомогательным контроллером 72. Выходной сигнал 79 из системы 70 управления посылается для управления работой вентиля 71 на выходе поточной линии 72.

В этом варианте осуществления первое измерение может быть использовано как средство активации управления выходным потоком буферного резервуара, и/или входным потоком перерабатывающего оборудования, и/или одним или более его блоков обработки на основе второго измерения. В некоторых случаях, когда первая переменная достигает своего предопределенного предела, измерение этой переменной не будет полезным/пригодным для регулировки выходного потока или входного потока буферного резервуара выходным вентилем 71 с целью избегания перегрузки. Для управления выходным потоком/входным потоком необходимо второе измерение отличной второй переменной, которое дает точное указание нагрузки. Например, первое измерение/переменная может быть отверстием вентиля, который управляет потоком хладагента в холодильнике, в то время как второе измерение/переменная может быть температурой потока, который охлаждается.

Если для достижения адекватного управления входящим потоком перерабатывающего оборудования или одного или более его обрабатывающих блоков необходимы два измерения, алгоритм модуля избегания перегрузки может содержать шаги расчета, на которых для получения индикатора нагрузки из первого измерения вычитается предопределенный предел. На основе индикатора нагрузки рассчитывается отверстие первого вентиля. На основе второго измерения второй переменной и уставки для этой переменной затем рассчитывается отверстие второго вентиля. Если индикатор нагрузки положителен, выбирается минимальное из двух значений отверстий вентиля, в противном случае выбирается первое значение отверстия вентиля. Выбранное отверстие вентиля затем приводится в исполнение путем посылки управляющего сигнала выбранным отверстием вентиля на вентиль. Для достижения быстрого ответа на повышение входного потока, алгоритм расчета второго отверстия вентиля предпочтительно должен позволять пропорциональные и производные действия только для закрытия вентиля.

Следует понимать, что изобретение может быть использовано для избегания нагрузки множества обрабатывающих блоков и оборудования в нижележащем по потоку перерабатывающем оборудовании. Таким образом, в одном варианте осуществления настоящего изобретения несколько систем управления объединяются для управления вентилем, см. ниже. Это может быть особенно удобно в перерабатывающем оборудовании, в котором могут возникнуть проблемы с емкостью вследствие высоких скоростей потоков газа или жидкости из рассматриваемой поточной линии в более чем одном расположении перерабатывающего оборудования.

На фиг. 8 показан другой вариант осуществления автоматической системы 80 управления с обратной связью, содержащей модуль избегания перегрузки в конкретном случае, когда используются по меньшей мере два блока управления. Существуют случаи, когда два или более обрабатывающих блока могут достичь максимальной нагрузки при высоких скоростях потоков газа или жидкости из рассматриваемой поточной линии. В таких случаях удобно применять несколько блоков управления и выбирать наименьший рассчитанный выход контроллера, см. фиг. 8. Примером этого является ситуация, когда высокая скорость жидкости и высокая скорость газа приводят к проблемам в различных частях перерабатывающего оборудования. Будет особенно полезно, если предел перерабатывающей емкости может быть достигнут для более чем одного нижележащего по потоку перерабатывающего блока при высоких скоростях газа или жидкости из рассматриваемой поточной линии. Это показано на фиг. 8 с двумя блоками 81 и 82 управления, где первый блок 81 управления показан как получающий по меньшей мере два первых входных сигнала от нижележащего по потоку обрабатывающего блока 83, а второй блок 82 управления показан как получающий, по меньшей мере, второй одиночный входной сигнал от дополнительного нижележащего по потоку обрабатывающего блока 84. Система управления дополнительно включает в себя селектор 85, который также выбирает наименьшее значение из выходных сигналов из двух блоков управления при посылке выходного сигнала 86 для управления отверстием вентиля 87 на выходе поточной линии 88.

Далее со ссылкой на фиг. 9-12 будут описаны подробные примеры вариантов осуществления модуля избегания перегрузки с модулем сглаживания выходного потока. Варианты осуществления относятся к уменьшению закупоривания, вызываемого операциями чистки.

На фиг. 9 показано подающее и перерабатывающее оборудования, в котором через общую поточную линию 91 несколькими поставщиками 90а-90е подаются газ и конденсат. Нижележащее по потоку перерабатывающее оборудование 92 сжиженного нефтяного газа (LPG, Liquefied Petroleum Gas) может содержать различные компоненты, такие как сепараторы, теплообменники, абсорберы и т.д. Тип и свойства этих компонентов, по существу, не формируют часть настоящего изобретения, поэтому они не объясняются более детально.

Блок 93 деэтанизации рассматривается как формирующий главное узкое место перерабатывающего оборудования 92 во время приема пробки от поставщика 90 в поточной линии 91. Проблема заключается в том, что подача в деэтанизатор 93 часто превышает его емкость (~1500 м ³ /д в примере, показанном на фиг. 9). Поэтому деэтанизатор 93 не может полностью отделять компоненты этана (С1) и метана (С2) от подающего их потока. В результате в нижележащий по потоку перегонный куб 94 обогащенной нефти (RO куб, rich oil) переходит слишком много С1 и С2, вызывая так называемое горение с черной копотью, которое должно избегаться по причинам защиты окружающей среды. Эта проблема переадресуется управлением расположенному вверх по потоку от получающего обрабатывающего блока блоку 95 сепарации гликоля низкого давления так, чтобы поток в деэтанизатор 93 был ниже его максимальной емкости, обеспечивая то, что уровень жидкости сепаратора 95 гликоля был ниже его верхнего предела. Это стратегия управления, однако, вводит кажущиеся необязательными высокие изменения входящего потока в деэтанизатор 93 и/или другое нижележащее по потоку перерабатывающее оборудование 92.

Закупоривание может даже привести к необходимости перекрытия трубопровода 90 из поставляющих предприятий (для упрощения не показаны) вследствие слишком высокого уровня жидкости на входе блока 96 сепарации нижележащего по потоку обрабатывающего оборудования 92. Далее, вследствие повышения нагрузки во время приема пробки, в блоки компрессора (не показаны) происходит перенос жидкости, который может сильно повредить эти блоки.

Трубопровод 90 от поставляющего предприятия может иметь существенную длину, например свыше 100 км. Трубопроводу может требоваться скребковая чистка, начинающаяся каждый день от поставляющего предприятия к перерабатывающему оборудованию 92. Это означает, что жидкостная пробка должна обрабатываться перерабатывающим оборудованием 92 каждый день. Соответствующие изменения давления и потока могут вызвать проблемы как для принимающего пробку перерабатывающего оборудования 92, так и для производителя (производителей) поставщиков трубопровода 90.

Входящий поток от поставляющей линии 90 в перерабатывающее оборудование 92 во время скребковой чистки может быть иногда выше, чем уставка контроллера потока для выходного потока сепаратора 95 гликоля. Уставка выходного потока сепаратора 95 может равняться емкости деэтанизатора 93. Это может приводить к ситуации, когда срабатывает свойство защиты от высокого уровня контроллера уровня сепаратора 95 и нагрузка на деэтанизатор 93 превышает его емкость. Таким образом, взаимодействие между контроллерами уровня и потока может вызвать сильные изменения выходного потока из сепаратора 95, который последовательно пульсирует через деэтанизатор 93 и перегонный куб 94 обогащенной нефти. Это происходит вследствие срабатывания контроллера потока. Контроллер потока может иметь уставку, которая очень отличается от выходного потока, задаваемого контроллером уровня.

Таким образом, скребковая чистка может повредить трубопровод 90 поставщика (высоким обратным давлением) и перерабатывающее оборудование 92 (высокими скоростями потоков жидкостей). Далее описывается со ссылкой на фиг. 10 и 11, как настоящее изобретение может быть использовано для обращения с жидкостной пробкой спереди скребка и для допущения снижения частоты скребковой чистки.

Общий вид структуры управления показан на фиг. 10. В показанном варианте осуществления поток в закупоривающихся трубопроводах управляется посредством автоматического (или активного) управления вентилем с обратной связью, обеспечиваемым управляющим модулем 36 сглаживания выходного потока и управляющим модулем 38 избегания перегрузки. Посредством автоматического управления с обратной связью обеспечивается более надежное и гладкое уменьшение пробок из трубопровода 90, и частота скребковой чистки может быть уменьшена.

Модуль 36 сглаживания выходного потока имеет каскадную структуру с петлей управления потоком (ведомой) в каскаде с петлей управления уровнем (ведущей).

Кроме того, отверстие входного вентиля 97 автоматически управляется на основе обратной связи от уставки выходного потока конденсата сепаратора 95 гликоля от ведущего, а также измерений уровней жидкости сепаратора 95 вместо избегания перегрузки блока 93 деэтанизации в ручном режиме (см. фиг. 9) путем изменения уставки контроллера входящего потока перерабатывающего оборудования, который использует обратную связь от весьма неточных измерений входящего потока, как в уровне техники. Это выполняется с использованием модуля 38 избегания перегрузки.

Если модуль 36 сглаживания выходного потока подает команды выходному потоку, который равен или больше перерабатывающей емкости нижележащего по потоку деэтанизатора 93, и уровень в сепараторе 95 гликоля все еще повышается, то входящий поток из трубопровода 90 должен быть снижен путем уменьшения отверстия входного вентиля 97. В то же время желательно иметь входной вентиль 97 как можно более открытым. Об этом заботится модуль 38 управления, который управляет входным вентилем 97, используя обратную связь от уставки выходного потока конденсата сепаратора 95 гликоля. Эта уставка равна максимальной емкости деэтанизатора 93.

Кроме того, может быть предусмотрен контроллер защиты высокого уровня как часть модуля сглаживания выходного потока. Он срабатывает, если уровень сепаратора 95 гликоля становится выше заданного предела.

На фиг. 11 более детально показана структура управления по фиг. 10. Из различных компонентов, показанных на нем, для управления уровнем сепаратора 95 гликоля предусмотрен контроллер LIC1 уровня. Назначением этого контроллера является достаточно устойчивое удерживание скорости потока в деэтанизаторе 93 (на фиг. 9) ниже нормальных, незакупоренных условий. Это может быть свободно настраиваемый контроллер уровня, который в норме управляет уровнем один, т.е. когда выходной поток трубопровода поставщика или входящий поток перерабатывающего оборудования не закупорен слишком сильно. Максимально допустимый выход из этого контроллера LIC1 уровня (или уставка потока в контролер FIC1 потока) равен максимальной емкости потока деэтанизатора 93.

LIC2 является точно настроенным контроллером превышения уровня для сепаратора 95. LIC2 срабатывает, когда уровень сепаратора возрастает выше определенного уровня. Если принят предел уровня в 75%, то уставка этого контроллера равна 75% и его задачей является быстро «ловить » этот уровень так, чтобы избегать расцеплений вследствие высокого уровня жидкости в сепараторе 95. Когда LIC2 срабатывает, он начинает, где бы выход LIC1 ни был в момент, когда уровень прошел 75%. Далее выход LIC1 отслеживает выход LIC2 до тех пор, пока уровень не станет ниже 75% и выход LIC2 станет меньше или равным максимальной емкости деэтанизатора 93. LIC1 забирает выход, когда LIC2 оставляет его. Этот тип работы обеспечен для мягкого перехода между этими двумя контроллерами и для избегания проблем насыщения интегратора.

Входной вентиль 97 управляется посредством контроллера LIC3 уровня, который является модифицированной производной плюс PI контроллер уровня сепаратора 95 гликоля с уставкой равной номинальной уставке уровня. Он срабатывает, если уставка потока имеет значение на уровне или выше максимальной емкости деэтанизатора 93. Действие производной может быть разрешено только для способствования уменьшения отверстия входного вентиля 97, и его задачей является быстро закрыть входной вентиль, если уровень сепаратора 95 гликоля быстро повышается, в то время как уставка потока равна максимальной емкости. В идеале это должно быть достаточно быстро так, чтобы контроллер превышения высокого уровня сепаратора 95 не имел необходимости срабатывать. Назначением PI части контроллера LIC3 уровня является помощь в приведении уровня жидкости в сепараторе 95 обратно к номинальной уставке уровня. Для компенсации изменяющегося приращения или нелинейности при изменении падения давления через вентиль 97 приращение этого контроллера планируется на основе падения давления.

Контроллер FIC1 потока управляет выходным потоком из сепаратора 95 гликоля через поточную линию 98 посредством вентиля 99 управления. FIC1 может содержать точно настроенный контроллер потока и быть в каскадной связи с контроллерами уровня LIC1 и LIC2.

FIC2 является другим компонентом контроллера потока для управления входным вентилем 97. Уставка этого контроллера потока является максимальной емкостью обработки деэтанизатора 93 на фиг. 9. Назначением этого контроллера потока является открывание входного вентиля 97, когда пробка прошла. Это характеризуется тем, что уставка выходного потока для сепаратора 95 гликоля падает ниже максимальной емкости. Для компенсации изменения приращения или нелинейности при изменении падения давления через вентиль 97, приращение этого контроллера также планируется на основе падения давления. Контроллер LIC3 уровня активируется только если уставка потока имеет значение выше или равное максимальной емкости деэтанизатора 93, и в этом случае селектор 74 выбирает отверстие вентиля, которое равно минимуму выхода контроллеров FIC2 и LIC3. Как FIC2, так и LIC3 отслеживают этот минимум. Если уставка потока ниже максимальной емкости деэтанизатора 93, селектором 74 выбирается FIC2 и LIC3 отслеживает выход FIC2.

Производительность вышеописанной системы управления проверена путем моделирования. Некоторые результаты показаны на диаграммах на фиг. 12, иллюстрирующих значения различных переменных как функции времени в часах с последней операции чистки. Верхняя левая диаграмма показывает уровень жидкости в сепараторе 95 гликоля. Верхняя права диаграмма показывает тенденцию изменения выходного потока из сепаратора 95 и, следовательно, входящего в деэтанизатор 93. Средняя левая диаграмма показывает, как регулируется отверстие входного вентиля 97. Средняя правая диаграмма показывает остановку входного трубопровода 90. Нижняя левая диаграмма показывает давление и ограничения на предприятии поставщика входящей трубы 90, и нижняя правая диаграмма показывает давление и ограничения предприятия производителя.

Моделирование системы осуществлялось с и без автоматического управления с обратной связью входного вентиля 97 на перерабатывающее оборудование 92. Изучение показало, что автоматическое управление входным вентилем 97 предоставляет приемлемые условия работы во время скребковой чистки как для перерабатывающего оборудования 92, так и производителя в трубопровод 90.

Настоящие результаты были получены с автоматическим управлением вентилем 97, используя управляющий модуль 38 избегания перегрузки в комбинации с управляющим модулем 36 сглаживания выходного потока для сепаратора 95 гликоля низкого давления.

На основе результатов моделирования ожидается, что вздутия в перерабатывающем оборудовании уменьшаются, частота скребковой чистки может быть уменьшена и изменения давления в трубопроводе (трубопроводах) от производителя (производителей) уменьшаются.

При снижении частоты скребковой чистки, например, до одного раза в 14 дней, скорость потока, связанная с закупориванием во время чистки или вызванным местностью закупориванием вследствие низких скоростей производства, в деэтанизатор 93 может удерживаться стабильной и ниже 1500 м ³ /д при избегании слишком высоких уровней во входном сепараторе 96 и сепараторе 95 гликоля.

Далее будет более детально описан модуль вывода в рабочий режим и модуль оценки входного потока, схематично показанные на фиг. 2.

Модуль вывода в рабочий режим

Модуль вывода в рабочий режим автоматически выводит производство или производительность системы или ее части (частей) выработки нефти и газа в рабочий режим путем отслеживания кривой (кривых) вывода в рабочий режим, состоящей из уставки (уставок) скорости потока и/или уставки (уставок) давления. Это включает в себя компенсацию нелинейностей средств управления.

Модуль вывода в рабочий режим разработан для обеспечения автоматического запуска поточной линии или скважины как можно быстрее и эффективнее при обеспечении того, что продукция следует кривой вывода в рабочий режим. Кривая вывода в рабочий режим может быть предопределена. Например, эта кривая вывода в рабочий режим может описывать такие переменные, как уставки для скоростей потоков жидкости или газа выхода поточной линии или уставку давления забоя в скважине как функцию времени. Модуль вывода в рабочий режим использует автоматическое управление с обратной связью, которое использует измерения или оценки переменных вывода в рабочий режим для манипуляции таким образом, чтобы автоматически управлять отверстиями средств управления, такими как дроссель, так чтобы переменная выхода в рабочий режим (например, выходной поток жидкости) следовала кривой выхода в рабочий режим.

Например, оператор может определить ограничение максимальной скорости изменения скорости жидкости, выходящей из поточной линии, которую промысловая система может обработать. Если на выходе поточной линии установлен многофазный счетчик, модуль вывода в рабочий режим будет использовать измерения скорости жидкости из счетчика многофазного потока и автоматически выводить продукцию в рабочий режим в соответствии с максимально допустимой скоростью изменения скорости жидкости. Если счетчик многофазного потока недоступен, оценки скоростей потоков жидкостей могут быть получены из модуля оценки входящего потока.

В целом, модуль вывода в рабочий режим выполнен с возможностью обработки не только одного ограничения кривой вывода в рабочий режим, а нескольких. В этом случае можно определить переменные вывода в рабочий режим так, чтобы уменьшение установок средств управления приводило к меньшим нарушениям ограничений кривой вывода в рабочий режим. Таким образом, если должна быть обработана более чем одна кривая вывода в рабочий режим, модуль вывода в рабочий режим может выбрать наименьшую (ср. выбор минимума на фиг. 13) установку средств управления, такую как отверстие дросселя, так, чтобы каждая кривая вывода в рабочий режим отслеживалась как можно точнее в том смысле, что соответствующее ограничение (ограничения) кривой вывода в рабочий режим нарушалось как можно меньше. Примером использования разных ограничений кривой вывода в рабочий режим является случай, если существуют ограничения на емкость обработки как газа, так и жидкости во время запуска. На фиг. 13 показана блок-схема модуля запуска. Интеграторы могут быть включены для предпочтительно непрерывного расчета уставки (уставок) вывода в рабочий режим. Это основано на отфильтрованной заданной скорости изменения для каждой управляемой модулем вывода в рабочий режим переменной и отфильтрованном измерении или оценке текущего значения переменной. Контроллер имеет функциональные средства для планирования приращения и компенсации нелинейности средств управления, таких как приращение вентиля, как все контроллеры системы управления, здесь описанные. Также предпочтительно должны быть включены (не показаны на фигуре) стандартные функциональные средства для избегания насыщения интеграторов в контроллерах 1-n путем отслеживания выхода из селектора (выбор минимума на фиг. 13).

Модуль оценки входящего потока

Все вышеописанные модули приносят пользу, если доступны измерения потока на выходе поточной линии и вверх и вниз по потоку от каждого управляемого буферного объема. Однако такие измерения часто могут быть недоступными. Модуль оценки входного потока является программным датчиком, который оценивает (переходные) скорости потоков нефти и/или воды и/или жидкости и/или газа, которые входят или выходят из одного или боле блоков обработки в нефте- и газопромысловой системе. Модуль оценки входного потока может быть использован отдельно или в любой комбинации с модулями вывода в рабочий режим, избегания перегрузки или сглаживания выходного потока. Частным случаем этого является оценка скоростей потоков нефти, вода и газа, которые вводятся во входной сепаратор. Оценки обычно основаны на выбранных измерениях процессов, таких как измерения потоков, уровней, давлений, температур и отверстий вентилей, которые расположены в промысловой системе. То, как оценка осуществляется в действительности, зависит от того, какие измерения доступны. Оценка может быть основана на преобразовании масс, энергии и/или момента (уравнения баланса) и/или опытном соотношении (соотношениях), включая соотношения между давлением/объемом/температурой и такими свойствами, как плотность и вязкость, используя исторические и оперативные измерения. Примеры ниже иллюстрируют, как модуль оценки входящего потока может работать.

Пример 1.

В целом, для использования модуля оценки входящего потока определяется вспомогательная система обработки, в которую вводятся неизвестные скорости потоков (которые должны быть оценены) и в которой имеются доступные измерения потоков, исходящих из определенной вспомогательной системы обработки. Кроме того, определенная система предпочтительно должна иметь измерения уровня жидкости и давления газа и измерения температуры так, чтобы вспомогательная система обработки могла рассчитать объем нефти, воды и газа. Пример оценки скорости (скоростей) входящего потока жидкости показан на фиг. 14.

Из баланса масс вспомогательной системы обработки скорость (скорости) входящих потоков жидкости может быть оценена как

где q _lig,in [м ³ /с] - неизвестная скорость оцениваемого входящего потока жидкости,

q ^measured _water [м ³ /с] - измеренная скорость выходящего потока воды,

q ^measured _oil [м ³ /с] - измеренная скорость выходящего потока нефти,

V _tot,liq [м ³ ] - общий объем жидкости (нефти и воды) в системе,

V _i [м ³ ] - объем жидкости в буферном резервуаре.

Следовательно, скорость (скорости) входящих потоков жидкости могут быть оценены на основе измерения (измерений) скорости (скоростей) выходящих потоков жидкости и скорости изменения соответствующего объема (объемов) жидкости в системе.

Пример 2.

Другим примером является оценка скоростей потоков нефти, воды и газа, вводимых в сепаратор первой стадии двухстадийной последовательности сепараторов, см. фиг. 15. Здесь считается, что доступны следующие измерения:

скорости потоков воды (q ^1st _w,out ) и газа (q ^1st _w,out ) из сепаратора первой стадии,

скорость потока нефти (q ^2nd _oil,out ) из сепаратора второй стадии,

уровни воды и нефти в сепараторе первой стадии,

давление (p ^1st _gas ) и температура (T ^1st _gas ) газа сепаратора первой стадии,

уровень нефти в сепараторе второй стадии,

давление (p ^2nd _gas ) газа сепаратора второй стадии.

Измерения уровня используются для расчета объема нефти (V ^1st _oil ), воды (V ^1st _gas ) и газа (V ^1st _gas ) в сепараторе первой стадии и объема нефти (V ^2nd _oil ) и газа (V ^2nd _gas ) в сепараторе второй стадии.

Считая, что закон идеального газа верен, скорость входящего потока газа может быть оценена на основе баланса масс как

а скорость входящего потока нефти может быть оценена на основе баланса масс как

в то время как скорость входящего потока воды может быть рассчитана на основе баланса масс как

Пример 3.

Простейшим приближением может быть использование вышеуказанного уравнения (3), непосредственно используя денситометр, измерения или оценки падения давления через вентиль и значение отверстия вентиля. Альтернативно может быть использовано вышеуказанное уравнение (4).

Пример модуля взаимодействий

Рассмотрим промысловую систему и связанную с ней систему автоматического управления с обратной связью, показанную на фиг. 16. Для простоты в этом примере рассматривается только один буферный резервуар. Однако пример может быть прямо распространен на произвольное число буферных резервуаров, таких как буферные резервуары всего перерабатывающего оборудования.

Поточная линия 40 имеет вентиль 41, расположенный на ее выходе. Буферный резервуар считается двухфазным (газ/жидкость) сепаратором 42 с измерениями давления РТ газа (сигнал 43), температуры ТТ газа (сигнал 44) и уровня LT жидкости (сигнал 45). Выходной поток газа управляется с использованием вентиля 46 и измеряется расходомером FT газа (сигнал 47). Выходной поток жидкости управляется с использованием вентиля 48 и измеряется расходомером FT жидкости (сигнал 49).

Система управления содержит функциональные модули: оценка входящего потока, избегание перегрузки, сглаживание выходящего потока и вывода в рабочий режим, взаимодействующие друг с другом, как показано на фиг. 16. Модуль сглаживания выходного потока состоит из подмодулей: функциональные средства верхнего уровня (например, третий подмодуль, описанный выше), функциональные средства развязывания и компенсации геометрии емкости (например, второй подмодуль, описанный выше) и часть модуля сглаживания выходного потока, обозначенная как «фиг. 3 » на фигуре (например, первый подмодуль, описанный выше). Система управления использует измерения 43, 44, 45, 47 и 49 как входящие сигналы для управления отверстиями вентиля 41 (сигнал 49), вентиля 46 (сигнал 61) и вентиля 48 (сигнал 62). Поскольку измерения входящего потока сепаратора отсутствуют, модуль оценки входящего потока оценивает этот поток на основе измерений 43, 44, 45, 47 и 49, используя способ, описанный выше для этого модуля. Выходные сигналы 63, 64 из модуля оценки входящего потока динамически оценивают скорость потока газа и динамически оценивают скорость потока жидкости в сепаратор 42 газа/жидкости. Эти оценки используются модулем вывода в рабочий режим, модулем избегания перегрузки и подмодулем верхнего уровня (третьим) модуля сглаживания выходного потока. Модуль вывода в рабочий режим использует эти оценки для автоматического управления 49 с обратной связью входного вентиля 41 так, чтобы продукция предпочтительно непрерывно выводилась в рабочий режим, оптимальным образом отслеживая кривую вывода в рабочий режим. Модуль избегания перегрузки использует измерения давления 43 газа и уровня 45 жидкости в буферном резервуаре 42 в дополнение к оценкам скорости входящего потока, выдаваемым модулем оценки входящего потока. В зависимости от конкретных условий, этот модуль также может использовать измерения температуры 44 газа. Выходные сигналы модуля избегания перегрузки являются значениями/уставками для отверстия 49 вентиля и уставками для выходного потока газа и выходного потока жидкости 67, 68 из сепаратора 42.

Подмодуль верхнего уровня (третий) модуля сглаживания выходного потока использует измерения 43, 44, 45, 47, 49 и оценки входящего потока, выдаваемые модулем оценки входящего потока. Он рассчитывает уставки выходных потоков для газа и жидкости 65, 66. Эти уставки 65, 66 посылаются в средства администрирования уставок на фиг. 3 модуля сглаживания выходного потока. Функциональные средства развязывания рассчитывают корректировки уставок (сигнал 69) для выходного потока газа или потока жидкости так, чтобы уровень жидкости и давление газа были развязаны друг от друга. Они используют в качестве входящих измерения 43, 44 и 45. Функциональные средства компенсации геометрии емкости используют измерения 43, 44 и 45 в качестве входящих и рассчитывают корректировки уставок (сигнал 100) для выходного потока жидкости и потока газа так, что переменное приращение процесса вследствие геометрии емкости исключалось. На основе текущей ситуации средства администрирования уставок выбирают уставки для выходных потоков из уставок, предоставленных подмодулем верхнего уровня (третьим) модуля сглаживания выходного потока и модуля избегания перегрузки, как показано на фиг. 16 сигналами 67 и 68. Поскольку присутствует подмодуль верхнего уровня (третий) модуля сглаживания выходного потока, уставки ведущих контроллеров (на фиг. 3) не используются. Выбранные уставки посылаются на контроллеры потоков на фиг. 3, которые выводят значения для отверстия 61 вентиля газа и отверстия 62 вентиля жидкости.

Способ согласно настоящему изобретению может быть осуществлен как программное обеспечение, аппаратное обеспечение или их комбинация.

Компьютерный программный продукт, осуществляющий способ или часть его, содержит программное обеспечение или компьютерную программу, выполняемую на компьютере, процессоре или микропроцессоре общего назначения или специально адаптированном. Программное обеспечение включает в себя элементы кода компьютерной программы или части кода программного обеспечения, с использованием которых компьютер осуществляет способ, по меньшей мере один из шагов способа по изобретению.

Программа может быть записана полностью или частично на или в одной или более соответствующей считываемой компьютером среде (машиночитаемом носителе данных) или средствах хранения данных, таких как магнитный диск, диск CD-ROM или DVD, жесткий диск, средства хранения магнито-оптической памяти, в RAM или энергозависимой памяти, в ROM или флеш-памяти, такой как программно-аппаратные средства, или на сервере данных.

Для специалиста очевидна возможность различных модификаций и изменений изобретения без выхода за его рамки, которые определяются формулой.